1

3A. VARIAZIONI 3A. VARIAZIONI MORFOLOGICHE DI MORFOLOGICHE DI

ALVEI FLUVIALIALVEI FLUVIALI

SCALA SPAZIALE: SISTEMA FLUVIALESCALA SPAZIALE: SISTEMA FLUVIALE

(da Schumm, 1977)

2

SCALA TEMPORALESCALA TEMPORALE

Il ciclo di erosione di Davis (1899)

Pend

enza

Tempo

Cyclic time

Progressiva riduzione della pendenza durante un ciclo di erosione

SCALA TEMPORALESCALA TEMPORALE

3

TEORIA DEL REGIME (Lacey, 1939; Inglis, 1949; Blench, 1957). Fiume “a regime”: fiume che mantiene invariate le sue dimensioni.

CONCEPT OF THE GRADED RIVER (dynamic equilibrium) (Mackin, 1948).“A graded stream is one in which, over a period of years, slope is delicately adjusted to provide, with available discharge and with prevailing channel characteristics, just the velocity required for the transportation of the load supplied from the drainage basin”.

SCALA TEMPORALESCALA TEMPORALE

Pend

enza

Tempo

Cyclic time

Graded time

Da “Time, space and casuality in Geomorphology”(Schumm & Lichty, 1965)

SCALA TEMPORALESCALA TEMPORALE

4

Pend

enza

Tempo

Graded time

Steady time

Da “Time, space and casuality in Geomorphology”(Schumm & Lichty, 1965)

SCALA TEMPORALESCALA TEMPORALE

SCALA GEOLOGICA: orizzonte temporale dell’ordine dei milioni d’anni

SCALA STORICA: orizzonte temporale dell’ordine del migliaio d’anni

MEDIA SCALA TEMPORALE (GRADED TIME) o SCALA “GESTIONALE”: orizzonte temporale dell’ordine dei 100 anni

Non esistono termini e limiti temporali definitivi.Per i nostri scopi possiamo adoperare i seguenti termini:

Per definire le attuali tendenze evolutive (fiume instabile o in equilibrio dinamico), è opportuno ulteriormente restringerci ad un intervallo di 10-20 anni, cioè un passo temporale della media scala temporale

SCALA TEMPORALESCALA TEMPORALE

5

FIUME IN EQUILIBRIO DINAMICO: fiume che, nella scala temporale dei 10-20 di anni, pur modificandosi e variando il tracciato, mantiene mediamente invariata la sua forma (pendenza, larghezza, profondità, sinuosità, ecc.) (forma in equilibrio dinamico)

w

w

FIUME INSTABILE: fiume che, nella scala temporale dei 10-20 anni, varia sensibilmente la sua forma (pendenza, larghezza, profondità, sinuosità, ecc.)

distanze

quot

e

distanze

quot

e

variazione di sezione(w, d)

variazione di pendenza (S)

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INTERVENTI IN ALVEOTagli di meandroRestringimentiDigheEstrazione di inerti

INTERVENTI A SCALA DI BACINO

DisboscamentiRimboschimentiSistemazioni idraulico-

forestaliUrbanizzazione

Variazioni climaticheVariazioni idrologicheVariazioni del livello del

mareMovimenti tettoniciFenomeni vulcaniciVariazioni copertura

vegetale (a scala di bacino)

Variazioni intensitàprocessi di versante

CAUSE DICAUSE DI INSTABILITAINSTABILITA’’FATTORI NATURALI FATTORI ANTROPICI

CAUSE DICAUSE DI INSTABILITAINSTABILITA’’

DIFFERENZE FATTORI NATURALI E ANTROPICI: principalmente di scala temporale

FATTORI NATURALI: agiscono generalmente in maniera lenta, causando variazioni impercettibili alla scala della vita umana

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CAUSE DICAUSE DI INSTABILITAINSTABILITA’’ECCEZIONI: eventi catastrofici (es. eruzione vulcanica) possono causare improvvisi riaggiustamenti del sistema fluviale

Toutle River system, Washington (USA): sistema catastroficamente alterato a seguito della eruzione del

Mount St.Helens (18 Maggio 1980) (da Simon, 1992)

CAUSE DICAUSE DI INSTABILITAINSTABILITA’’

VARIAZIONI CLIMATICHE: ricerche recenti (Knox, 1983; Macklin and Lewin, 1989; Rumsby and Macklin, 1994) hanno messo in evidenza che variazioni nella frequenza ed intensità di eventi di piena legate a oscillazioni climatiche relativamente improvvise di breve termine (10-30 anni) possono avere un importante controllo su instabilità nel sistema fluviale

In genere tali fenomeni di instabilità sono identificabili in sistemi fluviali naturali, nei quali non c’èsovrapposizione con fattori di tipo antropico

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CAUSE DICAUSE DI INSTABILITAINSTABILITA’’

FATTORI ANTROPICI: agiscono generalmente in maniera rapida, causando modifiche dirette o inducendo variazioni ben percettibili alla scala delle decine di anni

DIFFERENZE FATTORI NATURALI E ANTROPICI: principalmente di scala temporale

FATTORI NATURALI: agiscono generalmente in maniera lenta, causando variazioni impercettibili alla scala delle decine di anni

Q S Qs D50PORTATA LIQUIDA x PENDENZA PORTATA SOLIDA x DIAMETRO SEDIMENTI

(da Lane, 1955)

~~~~

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DISBOSCAMENTI

AUMENTO PRODUZIONE

SEDIMENTI (Qs+)

Q S Qs + D50

AGGRADATION

ALLARGAMENTO ALLARGAMENTO ((wideningwidening))

w

w

VARIAZIONI DI LARGHEZZAVARIAZIONI DI LARGHEZZA

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RESTRINGIMENTO RESTRINGIMENTO ((narrowingnarrowing))

w

w

SCHUMM (1977)SCHUMM (1977)

Q = portata liquida Qs = portata solidaw = larghezza d = profonditàλ = lunghezza d’onda meandri P = sinuosità

Q w, d, λS

Qs w, λ, Sd, P

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SCHUMM (1977)SCHUMM (1977)

Q = portata liquida Qs = portata solidaw = larghezza d = profonditàλ = lunghezza d’onda meandri P = sinuosità

Q + w +, d +, λ +, S -

Q - w -, d -, λ -, S +

Qs + w +, d -, λ +, S +, P -

Qs - w -, d +, λ -, S -, P +

allargamento

restringimento

Numerose classificazioni e modelli di variazioni o di sviluppo di meandri proposte in letteratura

VARIAZIONI DI TRACCIATO VARIAZIONI DI TRACCIATO IN FIUMI MEANDRIFORMIIN FIUMI MEANDRIFORMI

Non si riferiscono necessariamente a fiumi instabili: molto spesso si tratta di comuni variazioni in fiumi in equilibrio dinamico

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Modello di Keller (1972) di formazione di un meandro

Classificazione delle variazioni di meandri (Hooke, 1977)

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Types of change

Complex changes, island formation, abandonment and small irregular movements

Migration

Confinedmigration

Growth

Lobing

Double heading

Retraction

New bends

Cut off

Stable bends, no changes

Proportion on River Dane

14 %

11 %

15 %

5 %

18 %

24 %

5 %

5 %

Tipi principali di variazioni (Hooke & Harvey, 1983)

Modello di variazioni di meandri (Hooke, 1990)

ricavato dalla sequenza di variazioni più

comunemente osservata di sviluppo di meandri

lungo il River Dane

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Tipo più comune di movimento di fiumi meandriformi

1) MIGRAZIONE (migration)

E’ stato mostrato, in molti fiumi ed esperimenti di laboratorio, che in condizioni non confinate un meandro tende generalmente a migrare verso valle

2) MIGRAZIONE CONFINATA (confined migration)

Molto spesso il fiume non è libero di migrare, ma èparzialmente confinato

PRINCIPALI TIPI DI VARIAZIONI DI PRINCIPALI TIPI DI VARIAZIONI DI MEANDRIMEANDRI

Crescita: indica un progressivo aumento dell’ampiezza del meandro

3) CRESCITA E SVILUPPO COMPOSITO (growth and compound development )

E’ stato mostrato che la crescita in genere è seguita da uno sviluppo di asimmetria e di forme composite

4) TAGLIO (cutoff)

Accorciamento del percorsoVari tipi: taglio di collo (improvviso) e

taglio di chute (graduale)

PRINCIPALI TIPI DI VARIAZIONI DI PRINCIPALI TIPI DI VARIAZIONI DI MEANDRIMEANDRI

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VARIAZIONI DI TRACCIATO VARIAZIONI DI TRACCIATO IN FIUMI A CANALI INTRECCIATIIN FIUMI A CANALI INTRECCIATI

Maggiori problemi nel documentare variazioni in fiumi a canali intrecciati rispetto a fiumi meandriformi, specialmente alla scala degli anni e decine di anni

Questo a causa della natura più dinamica di tali fiumi, con variazioni forti che hanno luogo anche durante singoli eventi di piena, e a causa del fatto che la morfologia ed i relativi parametri sono molto più difficoltosi da definire e misurare (es. indice di intrecciamento percepito dipende dal livello del fiume)

IL CONCETTO DI EQUILIBRIOIL CONCETTO DI EQUILIBRIO

Vale la pena ripartire dalle definizioni di equilibrio (Chorley & Kennedy, 1971) e come esse sono state poi applicate a sistemi fluviali naturali

Il concetto di equilibrio ha una lunga storia nella letteratura della geomorfologia e idraulica fluviale

Ingegneri idraulici: più interessati alla progettazione di alvei stabili

Geomorfologi fluviali: più interessati al comportamento di fiumi naturali e a quando e perchési avvicinano ad una condizione di equilibrio

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A: Rappresentazione schematica dei vari tipi di equilibrio. B: Stabilità ed instabilità in un sistema soggetto ad una

perturbazione (da Chorley & Kennedy, 1971)

3

2

1

4

5

TIPI DI EQUILIBRIOTIPI DI EQUILIBRIO

1) EQUILIBRIO STATICO: bilancio tra forze opposte che porta ad una condizione stabile. Raramente applicabile a fiumi naturali (concetto usato per la progettazione di strutture)

2) EQUILIBRIO STAZIONARIO: condizione di un sistema aperto in cui le macro-proprietà sono invariabili in una data scala temporale, cioè non ci sono trend, cicli o altri pattern di variazioni temporali. E’ l’equilibrio della Teoria del Regime, con scala temporale 101 – 102 anni

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TIPI DI EQUILIBRIOTIPI DI EQUILIBRIO

3) EQUILIBRIO DINAMICO: a rigore è un equilibrio con aggiustamenti dinamici intorno ad un trend di variazione

Sebbene in questo grafico è indicato come steady state, l’ EQUILIBRIO DINAMICO o QUASI-EQUILIBRIO di fiumi naturali è proprio di questo tipo (2), che può essere visto come uno zoom ad una scala temporale dell’ordine dei 101 – 102 anni di quello che ad una scala temporale più ampia ci appare come tipo 3.

TIPI DI EQUILIBRIOTIPI DI EQUILIBRIO

4) EQUILIBRIO DINAMICO METASTABILE: altro tipo di equilibrio in cui si verificano bruschi episodi di aggiustamento morfologico dovuti generalmente al superamento di qualche soglia geomorfologica

Tuttavia, il fiume si può considerare relativamente stabile nel senso che, se disturbato, tende a ritornare approssimativamente al suo precedente stato e la perturbazione è smorzata

Un FIUME NATURALE non è mai completamente stabile, ma cambia continuamente la sua posizione essendo soggetto ad un range di portate liquide e solide

5) STABILITA’ ED INSTABILITA’

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…… RIEPILOGANDORIEPILOGANDO

FIUME IN EQUILIBRIO DINAMICO:è in grado di assorbire piccole variazioni (delle variabili guida e/o delle condizioni al contorno) attraverso processi di autoregolazione, cioè variando leggermente e riadattandosi in maniera quasi impercettibile alle nuove condizioni imposte dal sistema

se invece tali variazioni superano determinati limiti (soglie), la morfologia del fiume può evolvere in una condizione instabile, cioè l’alveo tende a variare drasticamente e repentinamente

FIUME INSTABILE:

REAZIONE AL DISTURBOREAZIONE AL DISTURBO

REACTION TIME: tempo impiegato dal sistema per reagire ad una variazione (disturbo)

RELAXATION TIME tempo impiegato dal sistema per raggiungere una nuova condizione di equilibrio

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Schumm (1979) introdusse il concetto di GEOMORPHIC THRESHOLD (soglia geomorfologica):

‘a threshold of landform stability that is exceeded either by intrinsic change of the landscape itself, or by a progressive change of an external variable’

SOGLIA GEOMORFOLOGICASOGLIA GEOMORFOLOGICA

Soglia estrinseca (extrinsic threshold)

soglia superata a causa dell’applicazione di una forza o di un processo esterno al sistema

Variazioni climatiche; variazioni di uso del suolo; variazione livello di base

Soglia intrinseca (extrinsic threshold)

soglia superata senza variazioni in variabili esterne

Taglio di meandro; variazione di pendenza; superamento altezza critica sponda

DEFINIZIONE ESEMPIO

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EPISODICI (impulsivi): eventi di piena di bassa frequenza e alta magnitudine

Variazioni di larghezza in relazione alle maggiori piene (Gila R., Arizona)

La sequenza temporale degli eventi di piena ha estrema importanza nelle modificazioni della morfologia dell’alveo

In fiumi di clima arido (SW USA), gli eventi catastrofici sembrano essere determinanti ed il concetto di Wolman & Miller sembra essere meno applicabile

FATTORI CLIMATICIFATTORI CLIMATICI

FATTORI CLIMATICIFATTORI CLIMATICI

PROLUNGATI (progressivi): fluttuazioni climatiche di medio-lungo termine, che possono a loro volta influenzare regime idrologico, vegetazione, livello di base, ecc.

EPISODICI (impulsivi): eventi di piena di bassa frequenza e alta magnitudine

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TETTONICATETTONICA

EPISODICI (impulsivi): terremoti indotti da faglie e brusche variazioni topografiche

PROLUNGATI (progressivi): subsidenza o progressivo innalzamento della superficie, con effetti sul livello di base

VARIAZIONI DI MORFOLOGIA DVARIAZIONI DI MORFOLOGIA D’’ALVEO ALVEO O DI PATTERNO DI PATTERN

In numerosi casi si sono osservate variazioni (graduali o improvvise) di morfologia di un fiume

Schumm (1977) introdusse il concetto di ‘river metamorphosis’

Variazioni improvvise di morfologia d’alveo possono proprio essere dovute al superamento di una soglia geomorfologica

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E’ tuttavia accettato che la differenza tra meandriforme a canali intrecciati (o viceversa) avviene attraverso un continuum di forme intermedie

VARIAZIONI DI MORFOLOGIA DVARIAZIONI DI MORFOLOGIA D’’ALVEO ALVEO O DI PATTERNO DI PATTERN

Soglia geomorfologica tra fiumi a canale singolo e a canali intrecciati in termini di pendenza – sinuosità

definita sulla base di esperimenti di laboratorio (Schumm & Khan, 1972)

VARIAZIONI DI MORFOLOGIA DVARIAZIONI DI MORFOLOGIA D’’ALVEO ALVEO O DI PATTERNO DI PATTERN

Channel gradient

Sinu

osity